冲击位置对三明治型复合板材冲击性能的影响分析.pdf

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 58    冲击位置对三明治型复合板材冲击性能的影响分析  2016年1月 冲击位置对三明治型复合板材冲击性能的影响分析      闰学通,贾立霞,刘君妹,中晓 (河北科技大学纺织服装学院,石家庄 050018) 摘要:采用高强低伸工业涤纶为原料,加工织造了机织间隔织物,对间隔织物空间进行泡沫填充,面层与树脂进行复合,  制成了三明治型复合材料板材。测试了冲击位置不同时复合板材耐冲击性能和冲击前后板材的侧压性能,分析了冲击位置对 三明治型复合板材耐冲击性能的影响。结果表明,相同冲击能量作用下,冲击位置不同时,复合板材的表观破坏和冲击后侧压 性能均有差异。在间隔织物规格相同的情况下,冲击位置在接结点处的板材表观冲击损伤大,但冲击发生在接结点处的板材 受冲击后,所能承受的侧压载荷相对较大。        关键词:机织间隔织物;三明治型复合板材;冲击位置;冲击性能;侧压性能    ——— 中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:10030999(2016)O1005804   1前言    采用间隔织物增强,中间填充泡沫材料的三明  治复合板材的重量较其他材料为轻,且由于间隔织   物增强体的存在,板材的整体稳定性较好,并且显著    提高了芯层与面层的抗剥离性能,克服了传统层合、   蜂窝夹层复合等材料容易在使用中分层、抗剪切性  能差、耐不住冲击等多个弱点¨  J。三明治复合板材 在整体结构上和整体性能方面均拥有一定的优势,  方便了在实际生产生活中的应用。目前材料已被广   泛应用在航空航天、建筑、船舶等领域,用于大面积    船身、飞机机翼、储油罐、列车车厢内饰板材、保温车 ’   箱体等的制造生产,j。 复合材料的抗低速冲击一直是国内外学者研究   重心和焦点J。一些学者进行了力学性能及数值    模拟、冲击性能、动态力学性能、疲劳特性等方面的    研究。目前国内外对三维机织复合材料的低速 冲击性能的研究还较少,尤其对于间隔织物增强的    三明治型复合板材,由于板材两面板之间接结纱的   存在,其耐冲击性能具有特殊性。冲击作用在板材  的不同位置上会有不同的力学响应,本文在设计织   造一定接结纱高度的问隔织物,经填充和复合,加工   复合材料板材的基础上,按要求确定样品取样位置,   调整冲击位置,对板材的冲击性能和冲击后剩余强   度进行了测试分析,探讨冲击位置的不同对板材抗 冲击性能的影响。   收稿日期:  基金项目:  作者简介:  通讯作者:   2实验   2.1实验材料 机织间隔织物的纤维原料选用浙江古纤道新材    料股份有限公司生产的高强低伸工业涤纶长丝,该     长丝的细度为111.1tex,断裂强度为8.10cN/dtex,  断裂伸长率为11.7%。     实验织造的间隔织物取平纹组织作为面层组织¨   ,图1所示为面层组织采用平纹组织时设计织   物的经向截面图,在上下两层织物之间采用经纱连  “”  接,连接经纱与上下面层之间采用w型固结。接            结纱细度设计为222.2tex。间隔织物高度设计  为1.5cm。    图1织物截面图        Fig.1Thesectionalviewofthefabric 在机织间隔织物上下面层的空间中填充泡沫材   料,填充材料选用硬质聚氨酯泡沫,聚氨酯泡沫的原   料为两种液体,一种为多亚甲基多苯基多异氰酸酯,  另一种为组合聚醚,两种原料在填充前按照I:1比 2015.O7.3l     河北省科技攻关项目(12211210)      闫学通(1991一),男,在读研究生,主要研究方向为纺织复合材料。     贾立霞,女,教授,硕士研究生导师,jiMx@163.COrn。    FP,(lll2 1   2016年第1期       玻璃钢/复合材料 59   例混合,取泡沫填充密度为90kg/m。,按实际填充体 积计算填充材料的用量。   对机织间隔织物的面层进行树脂复合,选用了    环氧树脂作基体,聚酰胺树脂为固化剂,采用1:1 比例配置,无水乙醇用做稀释剂,用于控制复合基体    的粘度,控制复合树脂量为750g/m,采用手糊法进 ’   行复合j,完成三明治型复合板材的加工。   2.2冲击实验   复合板材冲击性能测试所用仪器为自行设计搭         建的落锤低速冲击试验装置,该装置是根据国标   GB/T21239--2007((纤维增强塑料层合板冲击后压 缩性能试验方法》中的落锤系统改进而成的。所设   计的落锤冲击实验装置包括底脚、钢板平台、试样固 定装置、支撑架、横梁、连杆、加重块、冲击头及用于  测定落锤高度的超声波传感器等。    —    按照航空标准HB一67391993进行冲击试 验。冲击能量通过调整落锤下落高度实现,冲击高  度通过能量方程公式进行计算:   E=mgh    式中,E为冲击能量,J;17Z为质量,kg;g为重力   加速度,N/kg;h为高度,nl。   实验过程中,落锤质量为连杆、加重块和冲击头   的质量之和,总质量为3.5kg,取冲击能量为6J、9J、      12J,计算可得分别对应冲击高度为0.175m、0.262 m、0.350m。  按照上式所计算的冲击高度,调整落锤的初始       位置,并固定。将已经复合完成的板材裁成lOcmx 10cm的试验样品,在复合板材表面用黑色水笔标记 出经纱接结点和四个接结点中间的非接结点的位 置,以便进行两种不同冲击位置的冲击性能测试。      将试样上下表面用平板夹持后放置于冲击区   域,调整试样位置使冲击点与冲击头中心对准。拧 紧星形螺母使试样边缘固定,释放落锤,待冲击头对   试样冲击后实验结束,记录试样表面的损伤情况,采 集试样正反面损伤图像。   2.3钡4压实验 常规层合型复合材料夹芯板在受到侧压载荷作  用时,首先会发生面板和芯子的大范围脱粘和分层,  使板材失效。机织间隔织物经填充复合得到的三明     治型复合板材,由于上下层面板之间由接结纱复合 树脂后形成的接结纱树脂柱连接,使复合板材在受     到侧压时不易分层,同时由于织物中间填充了泡沫   材料,对接结纱树脂柱起到了支撑作用,使复合板材  的侧压强度进一步提高J。受到垂直于层面的冲击    应力后,板材的面板,甚至内部结构破坏,侧压性能    会发生改变,对冲击前后的板材的侧压性能进行测 试分析,以评价板材在不同位置受到冲击后,其整体  受力损伤情况。     复合板材侧压性能测试所采用的实验仪器为      SANSUTM5105微机控制电子万能实验机,依据国    家标准GB/T1454--2005《夹层结构侧压性能实验 方法》的规定要求进行测试,对试样施加平行于面板   的侧向压缩载荷。试样标准尺寸为100mmx60mm,     测试过程中夹持距离设为50ram,测试最大位移设     定为10ram,加载速度为2.0mm/min。记录试验过   程中板材的破坏模式和载荷位移曲线。   3实验结果与讨论    3.1冲击实验结果 对所加工的机织间隔织物增强复合板材进行冲 击实验。通过调整落锤高度,调整试样的冲击位置,   分别对试样的两种冲击位置进行6J、9J、12J能量的   低速冲击。记录每次冲击的损伤情况。   当冲击能量为6J时,两块三明治复合板材的冲      击正面均形成凹陷,背面均没有明显损伤。对比两 种试样,冲击在接结点上的板材正面的凹陷直径相  对较大且深度较深,损伤相对较大。     当冲击能量为9J时,冲击在接结点上的板材和 冲击在非接结点上的板材正面都形成明显凹陷,冲 击在非接结点上的板材的凹陷直径相对较大。但是       对比两种试样的反面,可明显看出冲击在接结点上   的板材背面突起较大且有明显裂纹,而冲击在非接 结点上的板材背面相对来说损伤较小。说明冲击作    用在接结点位置时,冲击能量沿刚度较大的接结纱    树脂柱向下传递到下层面板,造成了下面板的明显   损伤,而冲击在面板非接结点位置时,冲击能量主要  在面层上传播,造成了面层表观损伤较大。  当冲击能量提高为12J时,两种冲击位置的冲 击均造成了复合板材正面明显的表观损伤,冲击凹 陷直径差距不大。但观察两种试样的反面,可明显     看出冲击在接结点上的板材下面层突起,且有明显   裂纹,而冲击在非接结点上的板材下面层只有微小   损伤,造成这种现象的原因与9J能量冲击时相同。    3.2侧压实验结果 对未受到冲击作用的板材和各不同能量冲击后  的板材进行了侧压性能测试,以分析冲击作用对板  F啤卿砸 60 冲击位置对三明治型复合板材冲击性能的影响分析  2016年1月 材承载能力的损伤程度。   记录侧压实验过程中载荷的变化情况,并将数  “” 据绘制成位移一载荷曲线图。各图中OJ表示未受 “”  冲击作用,N表示冲击作用发生在非接结点位置“” 上,Y表示冲击作用在复合板材的经纱接结点位  置上。     (1)在6J能量冲击后,侧压性能的对比见图2。 O 2 4 6 8 10 12位移/r am    图2冲击能量为6J时复合板材的侧压位移载荷曲线        Fig.2L0ad-displacementcurveofsidecompressionof     impactedpanelsat6Jenergy       由图2的曲线可知,经过6J能量冲击后,不论  冲击点在什么位置,板材对侧压作用的承载能力均 有下降,不同的是未冲击到接结点上时,下降的幅度   更大。这主要是因为冲击载荷作用在非接结点时,   冲击能量主要沿面板扩散,造成了面板与填充泡沫   的分层,破坏模式仍以分层破坏为主,侧压强力明显   低于未受冲击的板材。冲击载荷作用于接结点时, 冲击能量沿接结纱树脂柱向板材内部传递,虽然上    面板表观破坏较小,但板材内部受损,受到侧压作用   时,板材在冲击点位置发生弯曲,破坏模式以弯曲破 坏为主,弯曲时板材整体参与抵抗侧压作用,而不是   只有面板承受侧压作用,由于泡沫材料与面板在接  结纱树脂柱的连接下协同作用,使得板材所能承受  的侧压载荷提高。      (2)在9J能量冲击后,侧压性能的对比见图3。 80o 7O0 6()0 50o 曩彻 300 200 1(M1 0     图3冲击能量为9J时复合板材的侧压位移载荷曲线        Fig.3Load-displacementcurveofsidecompressionof     impactedpanelsat9Jenergy      羲(矗g2L6|    9J的能量冲击发生到复合板材的不同位置上     后,复合板材的侧压破坏模式发生了改变。冲击到 非接结点上后,进行侧压试验,复合板材发生局部分 层破坏;冲击到接结点上后,进行侧压试验,复合板 材在接结点处发生弯曲破坏。两种破坏模式不同导 致它们的侧压强度不同。          (3)在12J能量冲击后,侧压性能的对比见  图4。 稼 妪   图4冲击能量为12J时复合板材的侧压位移载荷曲线  —     Fig.4Loaddisplacementcurveofsidecompression      ofimpactedpanelsat12Jenergy    12J的能量冲击作用后,板材承受侧压的能力 均明显下降,与图2、图3不同的是冲击位置对板材 侧压强度的下降影响不再明显。这是由于较大能量 的冲击使得两种板材的表层损伤和内部损伤均较为  严重,使得两种板材破坏模式均表现为局部分层的  同时,在冲击点位置发生弯曲。冲击载荷作用在非    接结点的板材,由于弯曲破坏模式的出现,板材得以   整体承受载荷,使得板材能够承受的最大侧压载荷 上升,而冲击载荷作用在接结点的板材,由于分层破    坏模式的存在,所能承受的最大侧压载荷明显小于    冲击能量为6J和9J的冲击载荷作用在接结点上的 板材。   4结论 设计加工了涤纶间隔织物增强的三明治型复合    板材,在确定板材的冲击位置后进行了不同能量的    冲击实验,并对冲击前后复合板材的侧压性能进行    了测试分析,得出以下结论:   (1)复合板材受到冲击作用时,冲击能量一方  面沿面板层传播,一方面向板材内层传播,当冲击载   荷作用在板材增强织物的接结点处时,能量更容易 沿接结纱树脂柱向内层传播,使板材产生的损伤深    度更深,在板材背面造成明显损伤。且随着冲击能   量的增加,板材损伤程度增加;   咖鲫伽湖瑚啪0 咖   彻瑚姗0  2016年第1期       玻璃钢/复合材料 61 (2)对复合板材的冲击作用会改变板材在侧压 载荷作用下的破坏模式。未受冲击作用的板材,破 坏模式为面板与泡沫芯层的局部分层破坏。随冲击  能量的增加,冲击作用造成板材深层破坏后,复合板 材会在冲击位置出现弯曲破坏。发生弯曲破坏时板 材整体参与抵抗侧压作用,由于泡沫材料与面板在 接结纱树脂柱的连接下协同作用,使得板材所能承  受的侧压载荷提高; (3)冲击载荷发生在非接结点上的板材,冲击  载荷在面层传递较多,造成复合材料面层与泡沫芯 层的结构破坏,板材承受侧压作用时易于发生分层 破坏;而冲击载荷发生在接结点上的板材,冲击应力 主要沿接结纱树脂柱向内传递,在面层传递少,对面 层结构破坏小,而深层破坏大,板材承受侧压作用时 易于在发生分层破坏前发生弯曲破坏。当冲击能量 足够大时,这一差别将不明显。 参考文献 [1]曹海建,钱坤,盛东晓,等.芯材高度对整体中空复合材料力学 性能的影响[J].上海纺织科技,2010,38(9):54. [2]王梦远,曹海建,钱坤,等.三维机织间隔复合材料结构对其力— 学性能的影响[J].工程塑料应用,2014,(7):5357.      [3]陈艳.纺织品及复合材料抗低速冲击的性能研究[D].上海:上   海工程技术大学,2013.  [4]柳茵茵,贾立霞,刘影.织物增强对三明治型复合材料板材性能— 的影响分析[J].玻璃钢/复合材料,2013,(8):6061.    [5]D.ROYLANCE,S.S.WANG.PenetrationMechanismofTextile     Structures[J].BallisticMaterialsandPenetrationMechanism,— 1980,(06):7882.      [6]ZuleyhaAsian,RamazanKarakuzu,BuketOkutan.Theresponseof    —   laminatedcompositeplatesunderlowvelocityimpactloading[J].   CompositeStructures,2003,(59):119.  [7]庄桂增,孙志杰,工绍凯,等.三维间隔连体织物泡沫夹层结构        复合材料的基本力学特性【J].复合材料学报,2009,26(5): 27.32.   [8]M.V.1losur,M.Abdullah,s.Jeelani.Dcnamiccompressionbehavior       ofintegratedcoresandwichcomposites[J].MaterialsScienceand— Engineering,2007,445-456,5464.    — (9]A.S.Vaidya,U.K.Vaidya,N.Uddin.1mpaetresponseofthreedimen       sionalmuhifunctionalsandwichcompositefJ].MaterialsScienceand Engineering,2008,(472):52-58.[10]M.V.Hosur,M.Abdullah,s.Jeelani.Manufactur inga   ndlowvelocity    impactcharacterizationoffoamf     illed3-Dintegratedcoresandwith    — compositeswithhybridfacesheets[J].2005,67:167181. [11]李鸿顺,曹海建,钱坤,等.整体中空复合材料有限元模型的   建立[J].材料导报,2010,(24):265-267.        [12]孙云娟,贾立霞,李瑞洲,等.间隔织物面层组织对其增强板    材性能的影响[J].产业用纺织品,2011,(12):20.       [13]曹海建,钱坤,魏取福,等.三维整体中空复合材料低速冲击 冲击性能[J].纺织学报,2009,30(10):71.       [14]祝成炎,王静,张红霞,等.玻纤/涤纶混杂3D整体机织蜂窝— 结构复合材料的冲击性能[J].纺织学报,2008,(7):4144.  [15]祝成炎.3D立体机织物及其复合材料[J].丝绸,2005,(1):— 4447. [16]匡宁,周光明,张立泉,等.三维中空复合材料力学性能研究— 【J].材料工程,2007,(1):117120.       Ⅱ    INFLUENCEOFTHEIMPACTPOSITION0NTHEPACTPRCIPERTYOF      THESANDWICHCOMPOSITEPANELS —   —  YANXuetong,JIALi-xia,LIUJunmei,SHENXiao       (HebeiUniversityofScienceandTechnology,Shijiazhuang050018,China)            Abstract:Thehigh--strengthlow--stretchindustrialpolyesterfilamentswereusedtomanufacturethewoven spacerfabr              ic.whichwasfilledwithfoambetweenthetwosurfaeelayer.Then,thesurfacelayerwascomposited                 withresintomakethesandwichcompositepanels.Impacttestwasperformedatdifferentpositionsonthecomposites                   andthesidewisecompressionpropertyofthepanelswastestedbeforeandafterimpactingtoanalyzetheinfluenceof                 impactpositionsontheimpactpropertyofthecompositepanels.Theexperimentresultsindicatedthatthevisibleim。        pactingdamageandsidecompressionpropertiesofpanelsa        fterimpactingweredifferentwhentheimpactingpositions                 — onthepanelsweredifferent,eventhoughtheimpactingenergiesweresame.Itwasfoundthatwhentheimpactap                   — pliedonthepositionofthebinderyarn,thevisibleimpactingdamagewasmoreobviousthanthatoftheotherposi                   ‘ tions.Butthesidecompressionloadsofthepanelsimpactedonthebinderyarnwerelargerthanthatofpanelsim    pactedonotherposition.        — Keywords:wovenspacerfabric;sandwichcompositepanels;impactposition;impactproperty;sidecompres  sionproperty  瓣趣啦
布丁老师
该用户很懒,什么也没介绍
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